[激光原理与应用-71]：光电传感器的工作原理详解：光电效应原理、类型、光信号的光谱、电信号的频谱

前言：

一、光电传感器组成

二、光电元件：光电效应的分类

2.1 外光电效应：逸出效应

2.2 内光电效应：光电导效应

2.3 内光电效应：光生伏特效应（电流效应）

2.3.1 光电转换元件PD

三、光电元件工作原理

3.1 外光电效应器件

3.2 内光电效应器件

3.3 光生伏特效应器件

3.4 光电管与光电二极管比较

四、光电传感器的分类：根据检测方式分

4.1 槽型光电传感器

4.2 对射型光电传感器

4.3 反光板型光电开关

4.4 扩散反射型光电开关

五、光电二极管PD

5.1 定义

5.2 分类

5.3 工作原理

5.4 光电二极管（Photodiode）的光谱

5.5 光电二极管（Photodiode）电信号的频谱（电信号能量变化的频率分量）

六、光电传感器的特点

前言：

光电传感器是一种小型电子设备，各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，在激光器以及应用系统中有广泛的应用。

它主要是利用光的各种性质，检测物体的有无和表面状态的变化等的传感器。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。

一、光电传感器组成

光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件(光电转换）三部分组成。把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

二、光电元件：光电效应的分类

光电元件是光电传感器中最重要的组成部分，它的核心工作原理是不同类型的光电效应。

根据波粒二象性，光是由光速运动的光子所组成，当物体（传感器）受到光线照射时，其内部的电子吸收了光子的能量后改变状态，自身的电性质也会发生改变，这样的现象称为光电效应。即电子的特性收到光子影响和改变的特性，称为光电效应。

根据电属性状态的不同变化，将光电效应分为以下三种：

2.1 外光电效应：逸出效应

在光线作用下使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。

基于外光电效应的光电元件有光电管，光电倍增管等

2.2 内光电效应：光电导效应

半导体内的电子吸收光子后不能跃出半导体，使物体的电导率（电阻）发生变化，或产生光生电动势的现象称为内光电效应。内光电效应按其工作原理可分为光电导效应和光生伏特效应。

基于光电导效应的光电元件有光敏电阻，光敏晶体管等

这种设备，需要增加外部稳定的电源，通过电流的变化，获得电阻的变化，从而获得光照的强度或能量。

2.3 内光电效应：光生伏特效应（电流效应）

在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。

基于光生伏特效应的光电元件有光电池和光敏二极管、三极管等

2.3.1 光电转换元件PD

光电二极管（Photodiode）是一种特殊的二极管，可以将光信号转换为电信号。它基于光电效应原理工作，当光照射到光电二极管上时，光子的能量被吸收，激发电子从价带向导带跃迁，产生电流.

光电二极管常被用于光测量、光通信、光探测、光传感等领域。它们具有快速、高灵敏度和低功耗等优点，可应用于各种光电设备和系统中。同时，不同类型的光电二极管还可根据具体需求选择，例如光电二极管阵列、光电二极管放大器等。

三、光电元件工作原理

基于不同的光电效应，我们来看一下他们分别是如何工作的：

3.1 外光电效应器件

利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。

以光电管为例，当入射光照射在阴极上时，单个光子把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射, 即形成电流，这种电子称为光电子。

只有当入射光的频率高于极限频率时，才会产生光电子。

光电子产生之后，被真空管中的阳极所吸收，从而产生电流。若此时增加光照强度，更多的光子将会照射到阴极材料，从而产生更多光电子，光电流也会相应增加。在电阻R值确定的情况下，回路中的光电流与入射光的光照强度成函数关系，从而实现光电转化，通过测量电路读取电流数，即可算出光照强度。

光电管（Photomultiplier Tube，简称PMT）是一种高灵敏度的光电传感器，用于将光信号转换为电信号。它是基于电子倍增原理工作的真空管状器件。

光电管的主要构成包括：光电阴极、光学系统、电子倍增部分和收集电极。

光电阴极：光电管的光电阴极是一个对光敏感的金属或半导体材料。当光照射到光电阴极上时，光子能量将会激发出光电子。
光学系统：光电管通常包含一个光学系统，用于将光聚焦到光电阴极上，以提高光电子的发射效率。
电子倍增部分：光电子从光电阴极发射出后，会受到一个加速电场的作用，使其获得一定的能量。接着，经过一系列的倍增层，光电子会不断地碰撞和释放额外的电子，从而形成大量的电子级联效应，使电子数目呈指数增加。
收集电极：在电子倍增过程结束后，产生的大量电子会被引导至收集电极上。收集电极会测量和记录从光电管输出的电子信号，以便进一步处理或分析。

光电管具有高灵敏度、宽光谱响应范围、低噪音和快速响应等特点，因此在许多领域应用广泛，例如科学实验、光谱分析、核物理研究、医学显像等。

3.2 内光电效应器件

利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件称内光电效应器件，常见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。

根据能带理论，自由原子中电子具有的能量状态不是任意的，电子只能存在在一定的能级上。能带分为价带、禁带和导带。电子可以在导带中流动，不可以在价带中流动，在外界影响下，电子可由价带越过带隙进入到导带，从而改变导体的电阻。

不同导体的带隙厚度不一样，如下图所示，绝缘体的带隙较宽，导致电子很难从价带跃迁至导带，所以其电阻很大；金属导体没有带隙，其价带和导带相连，因此导电性能好。

电子吸收光子能量后，由价带跃迁至导带从而改变导体电阻的现象称为内光电效应。利用该效应可以制作光敏电阻，通过观察电阻的变化来确定被测光量。

3.3 光生伏特效应器件

光生伏特效应简称光伏效应，指的是物体在受到光照之后产生电动势的现象。光电池是一种自发电式的光电元件，它受到光照时自身能产生一定方向的电动势，在不加电源的情况下，只要接通外电路，便有电流通过。具体的工作原理如下：

光伏电池在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型杂质而形成的一个大面积PN结，P区有大量的空穴，N区有大量的电子。当光照射P区表面时，若光子能量大于硅的禁带宽度，则在P型区内每吸收一个光子便产生一个电子—空穴对，P区表面吸收的光子越多，激发的电子空穴越多，越向PN结区越少。由于PN结内电场的方向是由N区指向P区的，它使扩散到PN结附近的电子—空穴对分离，光生电子被推向N区，光生空穴被留在P区。从而使N区带负电，P区带正电，形成光生电动势。若用导线连接P区和N区，电路中就有光电流流过。

3.4 光电管与光电二极管比较

光电管（Photomultiplier Tube，PMT）和光电二极管（Photodiode）是两种常见的光电传感器，虽然它们用于将光信号转换为电信号，但在工作原理、特性和应用方面有一些区别。

工作原理：光电二极管PD基于光电效应工作，当光照射到光电二极管上时，光子的能量被吸收，产生光电流。而光电管是基于电子倍增原理工作的真空管状器件，光子被光电阴极激发出光电子，然后通过电子倍增部分形成大量电子级联。
灵敏度：光电二极管的灵敏度相对较低，一般在较低光强下工作。而光电管具有非常高的灵敏度，可检测到较低的光信号，并通过倍增过程提供高增益。
响应速度：光电二极管具有较快的响应速度，能够快速转换光信号为电信号，适用于快速变化的光学信号。光电管的响应速度相对较慢，受到倍增过程的限制，适用于时间较长的信号检测和精密测量。
构成和尺寸：光电二极管通常是一个小型的固态器件，非常紧凑。而光电管则是一个较大的真空管状器件，需要额外的倍增部分。
应用领域：光电二极管在光测量、光通信、光探测、光传感等领域应用广泛。光电管由于其高灵敏度和高增益特性，常用于科学实验、光谱分析、核物理研究、医学显像等应用，尤其适用于需要检测低光强或快速光信号的场景。

总的来说，光电二极管适用于一般的光信号检测和简单光强测量，而光电管则适用于需要高灵敏度、高增益以及特殊传输和测量要求的应用。选择哪种器件应根据具体应用的要求来决定。

四、光电传感器的分类：根据检测方式分

光电传感器按检测方式分为漫反射型、反射板型、对射型：

根据相应的检测方式有下列这些不同结构的光电传感器：

4.1 槽型光电传感器

把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。

4.2 对射型光电传感器

若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。

4.3 反光板型光电开关

把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到;一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。

4.4 扩散反射型光电开关

它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。

光电传感器的基本特性包括输出电流与接收器两端电压之间的关系曲线、输出电流与发射器输入电流之间的关系曲线、输出电流随温度变化的关系曲线、脉冲响应特性曲线等。

F&C 嘉准传感器

五、光电二极管PD

5.1 定义

光电二极管（Photodiode）简称PD，是一种能将光信号转换成电信号的光电器件。它是半导体器件的一种，由p-n或p-i-n结构组成。其工作原理基于内部发生的光电效应。

5.2 分类

光电二极管（Photodiode）可以根据不同的性质和结构特点进行分类。

以下是几种常见的光电二极管分类：

根据工作模式：
- 光电二极管可分为正向偏置光电二极管和反向偏置光电二极管。正向偏置光电二极管中，外加电压与P区电势相同，使光电二极管进入正向工作状态。反向偏置光电二极管中，外加电压与P区电势相反，使光电二极管进入反向工作状态。
根据结构类型：
- pn结光电二极管：由p型和n型半导体材料组成的结构，光照射在pn结上产生电流。
- p-i-n结光电二极管：在pn结的中间插入一层无掺杂的i型半导体，改善了光电转换效率和响应速度。
- 悬垂式光电二极管：通过在pn结上方悬挂金属或半导体层，增加了光吸收和光电流的效果。
根据材料：
- 硅光电二极管：由硅材料制成，常用于一般应用场景。
- 锗光电二极管：由锗材料制成，对红外光有较高的吸收能力，常用于红外光检测和通信领域。
根据封装形式：
- 表面贴装光电二极管（SMD）：适用于表面贴装技术，常用于小型化和集成化设计。
- 脚直插光电二极管（Through-hole）：脚可直接插入电路板上的插孔，安装和替换方便。

这些分类只是光电二极管的一些常见分类方式，实际上还有其他方式和特性可用来对光电二极管进行分类和区分。

5.3 工作原理

当光照射到光电二极管上时，其中的半导体材料吸收光的能量，电子-空穴对会在材料中产生。在p-n结或p-i-n结的作用下，产生的电子和空穴被分离并收集到电极上，从而形成电流。光强的变化会导致电流的变化，实现了对光信号的转换。

光电二极管具有高光电转换效率、快速响应、低噪声等特点。它在光通信、光测量、光电探测等领域有广泛的应用。例如，光电二极管可以用于光通信系统中的接收端，将光信号转换为电信号进行处理和接收；也可以用于光测量领域，测量光强、光功率等参数。

需要注意的是，光电二极管只能转换光信号成为电信号，不能发光。它与光电导、光电晶体管等器件的主要区别在于其结构和工作原理的不同。

5.4 光电二极管（Photodiode）的光谱

光电二极管（Photodiode）的光谱范围取决于所使用的半导体材料和器件结构。

不同的光电二极管可以具有不同的光谱响应特性。

以下是常见光电二极管的光谱范围：

硅光电二极管：硅光电二极管是最常见的光电二极管类型之一，其光谱响应范围通常在可见光和近红外光之间，大约是400 nm到1100 nm。
锗光电二极管：锗光电二极管对红外光的响应较好，其光谱范围大约从800 nm到1600 nm。锗光电二极管常用于红外光检测和通信领域。
铟镓砷（InGaAs）光电二极管：铟镓砷光电二极管具有广泛的光谱响应范围，从近红外到长波长红外光。常见的铟镓砷光电二极管的光谱范围可达到约1300 nm到2600 nm。

需要注意的是，不同型号的光电二极管会有不同的光谱响应范围。在选择光电二极管时，需要根据应用需求和所需的光谱范围来选择合适的型号。此外，一些特殊材料或结构的光电二极管还可以扩展光谱响应范围，比如紫外光和更长波长的红外光。

总结来说，光电二极管的光谱范围可以从可见光到近红外光，甚至覆盖一定的红外波段，具体取决于所使用的光电二极管的材料和设计。

5.4.1 方波信号的频谱

方波信号是由连续的正、负脉冲组成的周期性信号。方波信号的频谱是连续的，由基频和无限多个奇次谐波组成。

频谱分析中，方波信号的频谱可以通过傅里叶级数展开来表示。傅里叶级数展开将方波信号分解成一系列余弦波的和。方波信号的频谱包括以下几个主要部分：

基频：方波信号的基频是指脉冲重复的频率，它与信号的周期性有关。基频的频率等于方波信号的频率。
奇次谐波：方波信号除了基频外，还包括无限多个奇次谐波。奇次谐波是基频频率的整数倍，但幅值逐渐减小。第n个奇次谐波的频率由基频的n倍给出。

方波信号的频谱可以用以下公式表示：

方波(t) = (4/π) * [sin(2πf0t) + (1/3)sin(2π(3f0)t) + (1/5)sin(2π(5f0)t) + …]

其中，f0是方波信号的基频。

需要注意的是，方波信号的频谱具有无限多个频率成分，其中奇次谐波的幅值逐渐下降。实际上，方波信号包含了无限高频的成分，但具体的幅值衰减速度取决于信号的具体形状和幅值。

5.4.2 连续信号的频谱

连续信号的频谱可以通过傅里叶变换来获得。傅里叶变换是一种将信号从时域转换到频域的数学变换。

对于一个连续信号 x(t)，它的频谱 X(f) 可以通过连续傅里叶变换（Continuous Fourier Transform，CFT）来计算，公式如下：

X(f) = ∫[x(t) * exp(-j2πft)] dt

其中，X(f) 是信号在频域的表示，f 是频率，t 是时间，j 是虚数单位。

连续信号的频谱表示着信号在不同频率上的能量分布情况。频谱图通常是将频率在横轴上表示，幅度或功率在纵轴上表示。频谱图展示了信号中包含的频率成分的幅度或功率。

对于实际应用中的连续信号，我们可以借助数学工具和计算方法来进行频谱分析，如离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）、快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）等。这些方法可以用于计算信号的频谱，并得到频谱图形。

需要注意的是，连续信号的频谱范围是无限的，从负无穷到正无穷。在频谱图上通常只显示一段有限的频率范围，这取决于具体的频谱分析参数设置。

5.4.3 白噪声的频谱

白噪声是一种具有均匀分布能量的随机信号，其频谱是平坦的，即在整个频率范围内具有均匀的能量分布。白噪声的频谱特性使得它在各个频率上具有相等的能量。

在频域上，白噪声的频谱是一个常数，也称为平坦频谱。平坦频谱表示白噪声在所有频率上具有相等的幅度。这是因为白噪声包含了所有频率的成分，从低频到高频都有能量的贡献。

在连续频谱表示中，白噪声的频谱密度是一个常数。在离散频谱表示中，白噪声的频谱是一个均匀分布的随机序列。

白噪声的频谱性质使得它在许多领域有广泛的应用，比如通信系统、音频处理、信号分析等。由于白噪声的频谱均匀分布特性，它在频率范围内提供了平坦的背景噪声，可以用于测试和校准信号处理系统。

需要注意的是，白噪声是一种理想化的模型，在实际情况下很少能够完全实现真正的白噪声。因为在真实的环境中，噪声受到各种限制和干扰，可能会呈现不完全平坦的频谱特性。

对于白噪声信号的滤波，一般来说是为了限制或改变其频谱特性，使其在特定的频率范围内有所调整。

常见的白噪声滤波方式包括：

低通滤波（Low-pass Filtering）：低通滤波可以使高频部分的能量被削弱或抑制，仅保留低频部分的能量。这样可以将白噪声的频谱向低频方向推移，实现对高频噪声的滤除。
高通滤波（High-pass Filtering）：高通滤波可以使低频部分的能量被削弱或抑制，仅保留高频部分的能量。这样可以将白噪声的频谱向高频方向推移，实现对低频噪声的滤除。
带通滤波（Band-pass Filtering）：带通滤波可以选择性地保留一定范围内的频率成分，同时抑制其他频率范围内的信号。通过带通滤波可以在白噪声中选择性地滤除或保留某些频率范围内的噪声。
带阻滤波（Band-stop Filtering）：带阻滤波可以选择性地抑制一定范围内的频率成分，同时保留其他频率范围内的信号。通过带阻滤波可以在白噪声中选择性地抑制某些频率范围内的噪声。

滤波的具体方法和参数设置取决于实际应用需求、信号特性以及所需的频谱调整目标。在实际操作中，可以使用数字信号处理（DSP）技术或滤波器电路来实现白噪声的滤波。

5.5 光电二极管（Photodiode）电信号的频谱（电信号能量变化的频率分量）

光电二极管（Photodiode）的电信号的频谱范围取决于其响应速度和带宽。

光电二极管可以将光信号转换为电信号，在电信号中保留了光信号的能量变化的频率信息（不是光波波长的信息）。

备注：电信号的频谱与光信号的光谱几乎没有关系，电信号的频谱主要是由光照能量脉冲的频率决定的，与光信号自身的频率无关，光信号的频率影响的是光电二极管的感光材料。

以下是一些关于光电二极管电信号频谱的常见情况：

响应速度：光电二极管的响应速度指的是它对光信号能量转换的的快速响应能力。高速光电二极管能够处理较高的能量变化频率的光信号，从而产生相应频谱范围更宽的电信号。
带宽：光电二极管的带宽决定了它能够有效生成和传输的电信号频率范围。带宽较高的光电二极管可以处理（生成和传输）更高频率的电信号。